10.3.3. Нагнетатели систем охлаждения

Движение теплоносителя в системе охлаждения сопровождается затратами энергии, которая расходуется на преодоление сил трения и компенсируется нагнетателем (вентилятором, насосом или компрессором).

а) б) в) г) д) е)

Рис. 10.11. Упрощенные схемы нагнетателей

Нагнетатели, предназначенные для перемещения капельных жидкостей, называются насосами, а для перемещения газов в зависимости от развиваемого ими давления — вентиляторами (при давлении до 0,2-10⁵ Па) или компрессорами.

Независимо от вида перемещаемой жидкости разнообразные по конструкции нагнетатели можно разделить на несколько типов, упрощенные схемы которых рассмотрены ниже.

Поршневой нагнетатель представляет собой расположенный в цилиндрическом кожухе поршень, при движении которого в одну сторону жидкость через всасывающий клапан поступает в рабочую камеру, а при движении в другую — сжимается и затем выталкивается через нагнетательный клапан (рис. 10.11. а). Положительными качествами поршневых нагнетателей являются высокий к. п. д., возможность получения больших давлений и независимость производи­тельности от создаваемого давления; недостатками — громоздкость, неравномерность подачи (толчки), вибрация, сложность соединения с электродвигателем. Поршневые нагнетатели используют как насосы и компрессоры.

Зубчатый нагнетатель состоит из пары сцепленных между собой шестерен, расположенных в корпусе с минимальным зазором. Зубья при вращении захватывают жидкость и без сжатия переносят ее из области всасывания в область нагнетания, причем перенос в обратную сторону мал из-за плотного сцепления зубьев (рис. 10.11, б). Зубчатые нагнетатели конструктивно просты, не имеют клапанов, компактны, их можно непосредственно соединить с электродвигателем. Однако они имеют малую производительность и более низкий к. п. д., чем поршневые. Это объясняется потерями через торцевые зазоры и трением при сцеплении шестерен. Зубчатые нагнетатели используют преимущественно в качестве насосов, причем особенно успешно — для перекачки вязких жидкостей (масла).

Пластинчатый, или ротационный, нагнетатель представляет собой эксцентрично расположенный в цилиндрическом корпусе ротор, в пазах которого находятся пластины, выскальзывающие при его вращении. Пластины вследствие уменьшения пространства между ними и стенками корпуса сжимают засасываемую через отверстие жидкость и выталкивают ее через другое отверстие. Воздействие на жидкость в поршневом и пластинчатом нагнетателях аналогичное, но в первом случае поршень движется поступательно, а во втором — происходит более удобное для привода нагнетателя вращательное движение ротора (рис. 10.11, в). Обычно пластинчатые нагнетатели используют как компрессоры, но в специальном исполнении, при котором переносимая между пластинами жидкость не сжимается,— в качестве насосов.

Центробежный нагнетатель представляет собой лопаточное колесо, расположенное в спиральном кожухе. При вращении колеса жидкость, поступившая в осевом направлении через всасывающее отверстие, отклоняется от этого направления на 90° и попадает в межлопаточные каналы. Здесь она закручивается и под воздействием центробежной силы направляется к кожуху, где собирается и через нагнетательное отверстие выводится из системы (рис. 10.11, г). Центробежные нагнетатели обладают высоким к. п. д., достаточно просты в конструктивном отношении, имеют плавную (без толчков) подачу, легко соединяются непосредственно с электродвигателем. Производительность центробежных нагнетателей существенно зависит от давления. Их широко применяют в системах охлаждения приборов.

Осевой нагнетатель имеет вид лопаточного колеса, расположенного в цилиндрическом корпусе. При вращении колеса начинается движение жидкости, направленное по оси вращения. Осевой нагнетатель по сравнению с центробежным может иметь более высокий к. п. д., обладает реверсивностью, но создает более низкое давление (рис. 10.11, д).

Вихревой нагнетатель представляет собой лопаточное колесо, напоминающее центробежное и расположенное в корпусе эксцентрично. Жидкость поступает к лопаточному колесу по касательной, переносится им вдоль корпуса и выпускается также по касательной. Вихревые нагнетатели отличаются простотой конструкции, реверсивны, но к. п. д. невысокий; чаще используются в качестве насосов (рис. 10.11, е).

Из рассмотренных нагнетателей к насосам можно отнести поршневые, осевые и вихревые, к вентиляторам — центробежные и осевые, к компрессорам — все, за исключением вихревых нагнетателей.

Для обеспечения теплового режима аппаратуры в целом требуется вполне определенный массовый расход воздуха G. В свою очередь, для обеспечения этого массового расхода для заданной конструкции воздуховода требуется подобрать вентилятор, который обеспечивал бы напор p, равный потерям полного давления в гидравлической сети. Последний определяется по формуле (1.247) [2] и может быть представлен зависимостью:

kp=Rv²/2=RG²/(2A²), G = vA, (103)

где v, A — средняя скорость жидкости и площадь сечения трубо­провода; R — общий коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода, G – массовый расход воздуха.

Потребляемая вентилятором мощность N определяется зависимостью (1.255) [2], которую на основании формулы (10.11) запишем в виде:

. (104)

Полная характеристика вентилятора выражает зависимость между производительностью G, давлением Ар, мощностью N и к. п. д. л при постоянном числе оборотов: п = const. Все зависимости строятся обычно на одном графике, как это показано на рис. 2.10 [2], в частности зависимость p = f(G) носит название напорной характеристики. В настоящее время характеристики вентиляторов получают в основном экспериментальным путем. Если на напорную характеристику вентилятора наложить построенную в тех же координатах и в том же масштабе характеристику сети, то точка пересечения (рабочая точка) кривых pсети= f1 (G) и pвент= f2 (G) определит дав­ление и подачу этого вентилятора при работе в данной сети. Рабочей точке соответствует условие, когда подача вентилятора равна расходу воздуха через сеть, а развиваемое вентилятором давление равно потере давления в сети при этом расходе. Зная G в рабочей точке, легко определить, как это показано на рис. 2.10 [2], значения N и .

При выборе вентилятора для подачи воздуха при больших давлениях отдают предпочтение центробежным, а при подаче больших объемов воздуха при небольших давлениях — осевым вентиляторам. В последнее время наибольшее распространение в приборостроении получили осевые вентиляторы типа ЭВ и центробежные ВУ. Ряд вентиляторов серии ЭВ на частоты 400—1000 Гц охватывают диапазон по подаче 36—1100 м³/ч и полном давлении 120—2000 Па, их технические характеристики определены отрасле­вым стандартом ОСТ 16.0539.007—74.

В воздушных системах охлаждения применяют осевые и центробежные вентиляторы (рис. 10.12).

а) б)

Рис. 10.12. Вентиляторы: а) осевой; б) центробежный

В осевых вентиляторах воздух перемещается вращающийся крыльчаткой в направлении оси вентилятора. Эти вентиляторы могут перемещать большие объёмы воздуха , но создают сравнительно невысокие напоры (30…40 мм.вод.ст.).

В центробежных вентиляторах воздух высасывается через осевое отверстие в кожухе и под действием центробежной силы, развиваемой колесом с лапотками, нагнетается в радиальном направлении в выходное отверстие вентилятора. Центробежные вентиляторы конструктивно сложнее осевых, но экономичнее и способны создавать более значительные напоры (до 300 мм.вод.ст.).

В жидкостных системах охлаждения для перекачивания теплоносителей и хладоагентов используются центробежные насосы, принцип работы которых аналогичен центробежному вентилятору.

Мощность на валу вентилятора (насоса), необходимая для перекачки теплоносителя (хладоагента), рассчитывается по формуле:

, (105)

где - потери напора при движении теплоносителя в подводящих трубах и теплообменнике;

- объёмный расход теплоносителя ;

- коэффициент полезного действия вентилятора;

Полные потери напора складываются из следующих составляющих:

- потери на преодоление сопротивления трения, которое обусловлено вязкостью жидкости:

,

где - безразмерный коэффициент сопротивления, характеризующий соотношение сил трения и инерционных сил потока, даётся в виде графика как функция критерия Рейнольдса,

- потери на преодоление местных сопротивлений, обусловленных вихреобразованием в местах изменения сечения канала (при входе, выходе, расширение, сужении, поворота канала и т.д.)

Здесь - коэффициент местного влияния, являющийся функцией отношения диаметров при расширении (сужении), радиуса закругления при повороте канала; даётся в справочной литературе [12].

потери на неизотермичность теплоносителя:

,

где , и , - плотность жидкости и скорость на входе и выходе.

Полное гидравлическое сопротивление равно:

.

Коэффициент полезного действия для каждого типа вентилятора (насоса) даётся в справочной литературе.